自動犢牛飼喂器設(shè)計研究

葉巖 張麗 鄧紅

摘 要：闡述自動犢牛飼喂器設(shè)計的基本原理，并分析自動犢牛飼喂器的技術(shù)，最后總結(jié)設(shè)計自動犢牛飼喂器的特點。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械；自動犢牛飼喂器；發(fā)展方向；犢牛飼喂

中圖分類號：S823文獻標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.09.003

0 引言

犢牛自動飼喂機是在自動化控制下，通過奶嘴，對帶有識別信號的犢牛進行自動飼喂代乳或鮮乳的設(shè)備，其隨規(guī)?；?、集約化和現(xiàn)代化養(yǎng)牛業(yè)應(yīng)運而生，對于加速牛群增殖、降低牧場成本和提高經(jīng)濟效益可起到重要的作用，也是人工控制條件下犢牛健康飼養(yǎng)和福利飼養(yǎng)的一次技術(shù)革新。

傳統(tǒng)犢牛飼喂模式的弊端是以單欄飼養(yǎng)為核心的傳統(tǒng)犢牛飼養(yǎng)模式，具有諸多弊端。第一，消耗大量人工，飼喂量的控制，奶桶和奶車等清潔都需要人工完成。第二，奶溫難以控制，長時間飲用溫差大的奶水易引發(fā)犢牛疾病。第三，缺乏犢牛數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，不能逐頭把控，無法了解每頭犢牛飼養(yǎng)量和實時的健康數(shù)據(jù)。

隨著牧場規(guī)模的擴大，犢牛飼養(yǎng)員的人數(shù)會增加，他們的責(zé)任心和技術(shù)水平參差不齊，加之繁重的工作，往往出現(xiàn)喂奶量不準(zhǔn)，冬季的奶溫?zé)o法控制等，造成犢牛饑飽不均和營養(yǎng)性腹瀉等問題，這會影響犢牛的生長和發(fā)育。

全自動犢牛飼喂系統(tǒng)是犢牛飼喂的革命性改變，通過智能化的飼喂系統(tǒng)可以節(jié)省人力成本，以及保證犢牛飼喂標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化。針對國內(nèi)飼養(yǎng)的問題，設(shè)計全自動犢牛飼喂機。犢牛自動飼喂機既可以通過奶嘴飼喂代乳粉，隨時攪拌隨時喝，也可以飼喂鮮奶，隨時加溫隨時喝，溫度適宜、恒定保溫。根據(jù)不同年齡階段和每頭犢牛的具體情況，按營養(yǎng)需要，可以在電腦中輸入飼喂定量，其能控制犢牛自動飼喂機進行精細(xì)和準(zhǔn)確的飼喂，滿足每頭犢牛的營養(yǎng)需要，促進瘤胃發(fā)育，真正做到了定時，定質(zhì)，定溫，定量的“四定”精準(zhǔn)飼喂。另外，犢牛自動飼喂機還能及時報警，標(biāo)定哺乳量異常的犢牛，便于飼養(yǎng)員盡早發(fā)現(xiàn)問題犢牛，及時處理和治療。

首先，對犢牛飼喂控制技術(shù)及設(shè)備的原理進行綜合分析，確定了犢牛飼喂控制系統(tǒng)的基本需求。按照整個系統(tǒng)的設(shè)計過程進行分析研究，確定了犢牛飼喂控制系統(tǒng)的整體方案，并從機械和軟件控制兩個方面分別進行設(shè)計。其次，對犢牛飼喂控制系統(tǒng)的識別系統(tǒng)進行了設(shè)計，用來讀取犢牛的耳標(biāo)信息，識別進食犢牛的身份；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集犢牛的電子耳標(biāo)號、體重、牛奶的溫度及液位等信息；控制模塊對電磁閥、加熱器等機械裝置的控制，實現(xiàn)犢牛吃奶過程的自動化管理。最后，對犢牛飼喂控制系統(tǒng)的軟件進行了設(shè)計，對軟件進行開發(fā)，實現(xiàn)控制和監(jiān)測系統(tǒng)的采集和處理功能。增加系統(tǒng)程序的可讀性，便于改進和擴充，具有良好的實用性。

1 犢牛飼喂系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 犢牛飼喂系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理（如圖1、2所示）

（1）自動犢牛飼喂機首先通過犢牛戴的耳標(biāo)區(qū)分不同日齡的犢牛，并把此信息輸入計算機。

（2）飼喂機將料斗中代乳粉按計算機編程好的，不同日齡對應(yīng)的飼喂量，定量輸送到攪拌容器中。

（3）飼喂機再將熱水器中熱水按計算機編程好的溫度，不同乳粉對應(yīng)的溫度，定量輸送到攪拌容器中，將熱水和代乳粉在攪拌容器中攪拌、混合均勻。

（4）飼喂機再通過泵，定量輸送到飼喂站的奶嘴，犢牛由此自由采食。

（5）清洗系統(tǒng)是確保自動犢牛飼喂機的衛(wèi)生條件良好，避免損害犢牛的健康。

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

犢牛飼喂機包括代乳粉料斗、圍欄、換熱器、攪拌器、機架等。

（1）換熱器設(shè)計。飼喂機熱水器中熱水按計算機編程好的溫度，不同乳粉對應(yīng)的溫度，控制熱交換器中水的溫度39 ℃，使之符合犢牛飼喂要求。如果溫度過低會導(dǎo)致代乳粉凝結(jié)時間延長，這樣的牛奶進入腸道后會引起犢牛腹瀉，也就是說，牛奶溫度不足會引起犢牛腹瀉；如果溫度過高會導(dǎo)致犢牛胃黏膜受到損傷。另外每次犢牛飲奶量過大也會導(dǎo)致腹瀉。如圖3。

（2）攪拌器設(shè)計。綜合飼喂站可以操控3或4個奶嘴線。犢牛一天飼喂4～8次，每次0.5～2.0 L，經(jīng)設(shè)計和計算后，設(shè)計的攪拌器容積為0.5 L。如圖4。

（3）圍欄設(shè)計。犢牛自動飼喂機的人工奶嘴為可隱藏式設(shè)計，以免受到外界污染。同時，其還擁有自動酸堿清洗消毒系統(tǒng)，清洗吸管，每飼喂一頭犢牛就自動對奶嘴內(nèi)外清洗一次，以避免犢牛間的交叉污染。依據(jù)犢牛身體尺寸，安全舒適，牛舍防塵，防蠅等衛(wèi)生要求設(shè)計。如圖5。

（4）代乳粉料斗。在傳統(tǒng)飼喂中，犢牛一天分2～3次飼喂限量的代乳粉，當(dāng)犢牛每日按低于1.5磅（0.68 kg）的固體限喂奶量時，計算代乳粉料斗為0.54 m3。如圖6。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)整機集成要求，按電器控制方案將飼喂機分成以下主要部分：①代乳粉給料裝置；②乳品攪拌裝置；③熱交換裝置；④奶、水供入裝置；⑤清洗裝置；⑥定量輸送飼喂裝置。以松下FP0RC32T為控制核心，傳感器等模擬量用8路A/D轉(zhuǎn)換器采集，配合空開、繼電器、接觸器等外圍部件構(gòu)成主機對整機進行控制。通過對犢牛飼喂管理系統(tǒng)的控制，能夠及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的犢牛數(shù)據(jù)，并據(jù)此及時采取相應(yīng)的措施。如圖7。

（1）代乳粉給料裝置設(shè)計。由代乳粉料斗、物料推送電機組成。實現(xiàn)干粉物料定量給送功能。工作時電機旋轉(zhuǎn)將粉料經(jīng)代乳粉出料口緩慢推出落入下方攪拌器內(nèi)。攪拌器下稱重傳感器對給入量進行測量。工作流程如下：如圖8。

（2）乳品攪拌裝置設(shè)計。實現(xiàn)根據(jù)不同犢牛情況配置代乳品，對代乳粉稱重，配入溫水進行攪拌對奶品進行稱量盛放等功能。由攪拌杯、攪拌電機、入水感知電極、水位電極、溫度傳感器、稱重傳感器等部件構(gòu)成。如圖9。

（3）熱交換裝置設(shè)計。通過內(nèi)部加熱管對內(nèi)部冷水加熱，犢牛飲用奶經(jīng)不銹鋼盤管熱交換器進行加熱。主要由水箱、加熱管、不銹鋼盤管熱交換器、溫度傳感器、限溫器、混水泵、入水口流量傳感器組成。工作流程如下：如圖10。

（4）奶、水供入裝置設(shè)計。主要由多組電磁閥、減壓閥、流量傳感器、牛奶輸送與配料用不銹鋼泵、管路等構(gòu)成。功能是對其他裝置定量提供水、奶以及排放攪拌器內(nèi)的溶液。

（5）清洗裝置設(shè)計。由清洗液盛放瓶、蠕動泵、水位浮子以及管路組成。作用是按需要對攪拌器定量提供清洗液。

（6）定量輸送飼喂裝置設(shè)計。當(dāng)犢牛進入牛奶飼喂站后，電子識別系統(tǒng)可以對其進行識別，根據(jù)犢牛的飼喂計劃決定是否允許該犢牛飲用牛奶并確定飲用量。飼喂站可以為每頭犢牛設(shè)置訪問量。犢牛站可以為每頭犢牛設(shè)置每次訪問時的最小和最大飼喂份量。如果允許犢牛飲奶，則犢牛飼喂站將立即為該犢牛準(zhǔn)備一份具有預(yù)定溫度的新鮮牛奶。此設(shè)計系統(tǒng)由蠕動泵、喂入口膜片式壓力傳感器、管路等組成，用于對犢牛進行定量飼喂。其中蠕動泵可精確控制轉(zhuǎn)動量，從而達到定量飼喂的目的。膜片式壓力傳感器能檢測管道內(nèi)壓力變化從而判斷犢牛是否允吸奶嘴。工作流程如下：如圖11。

2 犢牛飼喂器的特點

從自身機構(gòu)設(shè)計上的自動飼喂機有如下特點：

（1） 標(biāo)配攪拌罐加熱裝置。攪拌罐連同飼喂用的牛奶都通過一個水浴加熱器保持在適宜的溫度，代乳粉在此溫度下也很容易溶解。

（2） 標(biāo)配不銹鋼材質(zhì)。飼喂機中的所有金屬件都由不銹鋼材料制成。這樣，設(shè)備清洗更加簡便，不受糞污的腐蝕，使用壽命也更長。

（3） 對剩余奶量的精確稱量。犢牛飼喂機都可以稱量犢牛未喝完剩奶的準(zhǔn)確質(zhì)量，讓農(nóng)場主立刻可以知道一只犢牛到底有多少奶沒有喝完。而其它類型的飼喂器系統(tǒng)只能測出牛奶容器是空的還是滿的。

（4） 先進的自動清洗功能。飼喂機都配有一個交替采用酸性和堿性洗滌劑的自動攪拌罐清洗裝置。一個不銹鋼牛奶換熱器參與整個喂奶過程，該裝置帶有一個全自動清洗系統(tǒng)，而該系統(tǒng)則標(biāo)配內(nèi)置洗滌劑（酸/堿）。

（5） 電腦監(jiān)測控制系統(tǒng)。每頭犢牛都有其獨特的吸吮速度，本犢牛飼喂機可以記錄并儲存每只犢牛的這種特點。當(dāng)一只犢牛的飲奶速度偏離其正常值一定量時，機器就會發(fā)出警報，通知牧場主檢查該犢牛的狀況。

綜上所述，我國整體上自動化犢牛養(yǎng)殖水平還比較低，而目前主要市場份額仍然被國外產(chǎn)品所占據(jù)，傳統(tǒng)的犢牛飼養(yǎng)方式在日益增長的市場和需求下漸漸失去競爭力，其發(fā)展趨勢必將是現(xiàn)代化的規(guī)模飼養(yǎng)，而在現(xiàn)代化的養(yǎng)殖過程中，自動化犢牛飼養(yǎng)管理相當(dāng)重要。以計算機控制的犢牛自動飼喂系統(tǒng)可為犢牛提供全天候照顧，合理的飼喂，恒溫恒速的奶量，高效的采食量，個性化精細(xì)飼喂是現(xiàn)代化犢牛飼養(yǎng)管理的發(fā)展方向。因此大力發(fā)展智能化、自動化的犢牛飼養(yǎng)設(shè)備，市場需求量大，發(fā)展前景廣闊。

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